Что такое сверхпроводимость в химии

Сверхпроводимость

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающимся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

Содержание

История открытия

Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте (англ.) независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски (англ.) выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.

Нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном (англ.). Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга — Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.

Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в 1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb₃Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².

В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя.

Свойства сверхпроводников

Нулевое электрическое сопротивление

Сверхпроводники в высокочастотном поле

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Т_с — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Т_с изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb₃Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB₂) у низкотемпературных сверхпроводников (Т_с ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. В настоящее время фаза HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры — 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К).

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Т_c теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода. Такая температурная зависимость теплоемкости электронной подсистемы сверхпроводника свидетельствует о наличии энергетической щели в распределении электронов между основным состоянием сверхпроводника и уровнем элементарных возбуждений. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.

Эффект Мейснера

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Н_c, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Н_c возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением

,

где — критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая , поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Эффект Литтла-Паркса

В 1962 году учёными Литтлом и Парксом было обнаружено, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины магнитного потока. [6] Этот эффект является одним из проявлений макроскопической квантовой природы сверхпроводимости. [7] [8]

Изотопический эффект

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Т_с обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего элемента.

Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B», где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы, использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения.

Теоретическое объяснение эффекта сверхпроводимости

Уже на относительно ранней стадии изучения сверхпроводимости, во всяком случае после создания теории Гинзбурга — Ландау, стало очевидно, что сверхпроводимость является следствием объединения макроскопического числа электронов проводимости в единое квантово-механическое состояние. Особенностью связанных в такой ансамбль электронов является то, что они не могут обмениваться энергией с решёткой малыми порциями, меньшими, чем их энергия связи в ансамбле. Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов, и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления. Такое объединение частиц невозможно в ансамбле фермионов. Оно характерно для ансамбля тождественных бозонов. То, что электроны в сверхпроводниках объединены в бозонные пары, следует из экспериментов по измерению величины кванта магнитного потока, который «замораживается» в полых сверхпроводящих цилиндрах. Поэтому уже в середине прошлого века основной задачей создания теории сверхпроводимости стала разработка механизма спаривания электронов. Первой теорией, претендующей на микроскопическое объяснение причин возникновения сверхпроводимости, была теория Бардина — Купера — Шриффера, созданная ими в 50-е годы прошлого столетия. Эта теория получила под именем БКШ всеобщее признание и была удостоена в 1972 году Нобелевской премии. При создании своей теории авторы опирались на изотопический эффект, то есть влияние массы изотопа на критическую температуру сверхпроводника. Считалось, что его существование прямо указывает на формирование сверхпроводящего состояния за счет работы фононного механизма.

Теория БКШ оставила без ответа некоторые вопросы. На её основе оказалось невозможно решить главную задачу — объяснить, почему конкретные сверхпроводники имеют ту или иную критическую температуру. К тому же дальнейшие эксперименты с изотопическими замещениями показали, что из-за ангармоничности нулевых колебаний ионов в металлах существует прямое воздействие массы иона на межионные расстояния в решетке, а значит и прямо на значение энергии Ферми металла. Поэтому стало понятно, что существование изотопического эффекта не является доказательством фононного механизма, как единственно возможного ответственного за спаривание электронов и возникновение сверхпроводимости. Неудовлетворенность теорией БКШ в более поздние годы привела к попыткам создать другие модели, например, модель спиновых флуктуаций и биполяронную модель. Однако, хотя в них рассматривались различные механизмы объединения электронов в пары, к прогрессу в понимании явления сверхпроводимости эти разработки тоже не привели.

Согласно одной из последних теорий, предложенной Б. В. Васильевым, спаривание электронов является необходимым, но недостаточным условием для существования сверхпроводящего состояния. Более того, какой конкретно механизм приводит к такому спариванию — не так уж важно. Важно, чтобы такой механизм существовал и был работоспособным во всем диапазоне температуры, где существует сверхпроводящее состояние.

Причина этого объясняется следующим образом: объединившись в пары, электроны создают бозоны, не объединенные в единый тождественный ансамбль. Их различают некоррелированные нулевые колебания. Для перехода бозонов в тождественное состояние необходимо упорядочить их нулевые колебания. По этой причине параметры, характеризующие механизм упорядочения нулевых колебаний в электронном газе, оказываются определяющими для свойств сверхпроводников. [9]

Применение сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa₂Cu₃O_x, получены вещества, для которых температура Т_c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H_c2. В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) [10] для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации. Сравнительные характеристики наиболее распространенных детекторов ИК-диапазона, основанные не на свойствах сверхпроводимости (первые четыре), а также сверхпроводниковые детекторы (последние три):

Вид детектора	Максимальная скорость счета, c −1	Квантовая эффективность, %	, c −1 [11]	NEP Вт [12]
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu)
R5509-43 PMT (Hamamatsu)		1
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G)		0.01
Mepsicron-II (Quantar)		0.001	0.1	—
STJ		60	—	—
TES		90	менее	менее
SSPD		30	менее

Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти. Подобное применение уже нашли некоторые магнитные солитоны. Существуют и более сложные дву- и трёхмерные магнитные солитоны, напоминающие вихри в жидкостях, только роль линий тока в них играют линии, по которым выстраиваются элементарные магнитики (домены).

Источник

Сверхпроводимость, явление, открытие, теория и применение

Сверхпроводимость, явление, открытие, теория, применение и температура сверхпроводимости.

Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать абсолютно нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры).

Описание. Явление сверхпроводимости:

Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать абсолютно нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры).

Сверхпроводящее состояние в материале возникает не постепенно, а скачкообразно – при достижении температуры ниже критической. Выше этой температуры металл, сплав или иной материал находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Для некоторых веществ переход в сверхпроводящее состояние становится возможным при определенных внешних условиях, например, по достижении определенного значения давления.

Сверхпроводимость как явление сопровождается несколькими эффектами. Определяющее значение имеют два из них: исчезновение электрического сопротивления и выталкивание магнитного потока (поля) из его объема. Поэтому важнейшее значение приобретает не только критический ток, но и критическое магнитное поле – определенное значение напряженности магнитного поля, по достижении которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.

Явление сверхпроводимости может быть продемонстрировано на практике. Если взять проводник, закольцевать его, сделав замкнутый электрический контур, охладить его до температуры ниже критической и подвести к нему электрический ток, а после чего убрать источник электрического тока, то электрический ток в таком проводнике будет существовать неограниченно долгое время.

Открытие сверхпроводимости:

Явление сверхпроводимости впервые открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры.

Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г., когда он создал криогенную лабораторию.

В 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий.

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово.

Впоследствии были открыты и другие сверхпроводники.

Природа, объяснение и теория сверхпроводимости:

Следует отметить, что полностью удовлетворительная теория сверхпроводимости в настоящее время отсутствует.

В 1957 г. Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер предложили так называемую теорию БКШ (Бардина – Купера – Шриффера).

Электрический ток представляет собой движение электронов. В обычном проводнике электроны двигаются поодиночке и самостоятельно преодолевают различные препятствия на своём пути. При этом в ходе движения они сталкиваются друг с другом и с кристаллической решеткой, теряя при этом свою энергию. Таким образом, в проводнике из-за различных препятствий возникает электрическое сопротивление.

Однако данная теория не способна объяснить сверхпроводимость при высоких температурах (высокотемпературную сверхпроводимость).

Классификация, типы и виды сверхпроводников:

По критической температуре сверхпроводники разделяются на низкотемпературные, если критическая температура ниже 77 K (-196 о С), и высокотемпературные.

Температурой разделения является температура кипения азота, которая составляет 77,4 K (-195,75 °C).

Данное деление имеет практическое значение. В первом случае охлаждение производится жидким или газообразным гелием, а во втором случае – более дешевым жидким или газообразным азотом.

По отклику сверхпроводников на магнитное поле они бывают сверхпроводниками I рода и сверхпроводниками II рода.

Сверхпроводники I рода по достижению единственного определенного значения напряженности магнитного поля (т.н. критического магнитного поля, Hc) теряют свою сверхпроводимость. До этого значения магнитное поле огибает сверхпроводник, а свыше его – проникает внутрь и проводник теряет свою сверхпроводимость.

У сверхпроводников II рода имеется два критических значения магнитного поля Hc₁ и Hc₂. При приложении магнитного поля первого критического значения Hc₁ происходит частичное проникновение магнитного поля в тело сверхпроводника, однако сверхпроводимость сохраняется. Выше второго значения критического поля Hc₂, сверхпроводимость разрушается полностью. В магнитных полях от первого до второго критического значения в сверхпроводнике существует вихревая структура магнитного поля.

По материалу сверхпроводники подразделяются чистые элементы, сплавы, керамику, сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и прочие.

Температура сверхпроводимости металлов, сплавов и прочих материалов:

1,7

Примечание к таблице:

* для материалов, помеченных * значение критического поля указано в Э (эрстед), для остальных в Гс (гаусс).

*** Экстраполировано к абсолютному нулю.

Свойства сверхпроводников. Эффекты сверхпроводимости:

1. Нулевое электрическое сопротивление.

Строго говоря, сопротивление сверхпроводников равно нулю только для постоянного электрического тока. Сопротивление у сверхпроводников при прохождении через них переменного тока отлично от ноля и возрастает с повышением температуры.

2. Критическая температура сверхпроводников.

3. Критическое магнитное поле сверхпроводников.

Это значение магнитного поля, выше которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости и переходит в обычном состояние, характерное для обычного проводника.

Значение критического магнитного поля различается в зависимости от материала сверхпроводника и может составлять от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс. В таблице значений сверхпроводимости материалов указывается критическое магнитное поле при температуре абсолютного нуля (0 К).

Критическое магнитное и критическая температура взаимосвязаны между собой. При повышении температуры сверхпроводника критическое магнитное поле уменьшается. При температуре перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние критическое магнитное поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально.

Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением:

Нс(Т) = Нс_о · (1 – T 2 / Tc 2 )

где Нс(Т) – критическое магнитное поле при заданной температуре, Нс_о – критическое поле при нулевой температуре, Т – заданная температура, Тс – критическая температура.

Для сверхпроводников II рода указываются два значения магнитного поля. Также нетрудно заметить, какие гигантские поля способны выдерживать сверхпроводники второго рода без разрушения сверхпроводимости.

4. Критический ток в сверхпроводниках.

Это значение максимального постоянного тока, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. При превышении этого значения сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.

Как и критическое магнитное поле, критический ток обратно пропорционально зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.

5. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником из своего объёма.

Это явление было названо эффектом Мейснера по имени первооткрывателя.

Эффект Мейснера означает полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.

Однако не у всех сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейснера. Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный – сверхпроводниками второго рода. Для сверхпроводников второго рода магнитное поле в интервале значений Hc₁ – Hc₂ проникает и действует в виде вихрей Абрикосова. Однако стоит отметить, что в низких магнитных полях (ниже значения Hc и Hc₁ ) полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников.

Отсутствие магнитного поля в объеме сверхпроводника означает, что электрический ток протекает только в поверхностном слое сверхпроводника.

6. Глубина проникновения.

Это расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Обычно данную величину называют лондоновской глубиной проникновения (в честь братьев Лондон).

Глубина проникновения оказывается функцией температуры, прямо пропорционально ей и различна в разных материалах.

Исходя из действия эффекта Мейснера магнитное поле выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в его поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения. Эти токи создают магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне, не позволяя ему проникнуть внутрь.

При достижении магнитным полем критического значения оно полностью проникает через глубину проникновения и захватывает весь сверхпроводник.

7. Длина когерентности.

Это расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние. Электроны в пределах длины когерентности движутся согласованно – когерентно (как бы «в ногу»).

8. Удельная теплоемкость.

Данная величина показывает количество теплоты, необходимое для того, чтобы повысить температуру 1 грамма вещества на 1 К.

Удельная теплоемкость сверхпроводника резко (скачкообразно) возрастает вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и довольно быстро (скачкообразно) уменьшается с понижением температуры. Иными словами, в области перехода для повышения температуры вещества в сверхпроводящем состоянии требуется больше теплоты, чем в нормальном состоянии, а при очень низких температурах – наоборот.

Применение сверхпроводимости:

– для получения сильных магнитных полей. Поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Для получения сильных магнитных полей используются сверхпроводники II рода, т.к. значение критического магнитного поля Нс₂ для них значительно велико,

– в электрических кабелях и линиях электропередач (ЛЭП). Так, один тонкий электрический кабель из сверхпроводника способен передать электрический ток, для передачи которого обычный проводник должен иметь значительные размеры (диаметр),

– в измерительных приборах,

© Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

электрическое сопротивление в чем состоит явление состояние свойства условия понятие суть применение использование открытие эффект температура теория сверхпроводимости
нобелевская премия за высокотемпературная сверхпроводимость физика металлов презентация реферат проводников материалов сообщение доклад кратко 8 класс рекорд определение
зависимость сопротивления металлов от температуры сверхпроводимость

Источник